JP2007157639A - Metal separator for fuel cell and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池用金属セパレータおよびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell metal separator and a method for producing the same.
燃料電池は、化学エネルギーを直接、電気エネルギーに変えるための発電装置である。燃料電池としては、例えば、電解質として固体高分子電解質を用いた固体高分子形燃料電池(PEFC)などが広く知られている。 A fuel cell is a power generator for converting chemical energy directly into electrical energy. As a fuel cell, for example, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) using a solid polymer electrolyte as an electrolyte is widely known.
一般に、燃料電池は、電解質の一方面に燃料極、他方面に酸化剤極を接合して電解質電極接合体とし、これをセパレータを介して複数積層した構成を備えている。 In general, a fuel cell has a structure in which a fuel electrode is joined to one surface of an electrolyte and an oxidant electrode is joined to the other surface to form an electrolyte electrode assembly, and a plurality of these are laminated via separators.
上記燃料電池の構成部材のうち、セパレータは、酸性雰囲気、酸化雰囲気などの腐食環境下に曝されることが多い。また、セパレータは、電解質電極接合体の電極と接触して集電を行う。そのため、セパレータには、良好な耐食性を有していること、導電性を有し、接触抵抗が小さいことなどの特性が主に要求される。 Of the constituent members of the fuel cell, the separator is often exposed to a corrosive environment such as an acidic atmosphere or an oxidizing atmosphere. Moreover, a separator contacts with the electrode of an electrolyte electrode assembly and collects electricity. Therefore, the separator is mainly required to have characteristics such as having good corrosion resistance, conductivity, and low contact resistance.
従来、例えば、PEFCでは、上記要求特性を満たすセパレータ材料として、カーボンが使用されてきた。しかしながら、カーボンセパレータは、加工性が悪く、ガス流路を切削加工により形成しなければならないため、高コストになりやすいといった問題があった。 Conventionally, for example, in PEFC, carbon has been used as a separator material that satisfies the above required characteristics. However, the carbon separator has a problem that the processability is poor and the gas flow path has to be formed by cutting, so that the cost tends to be high.
そのため、カーボンに比較して、加工性が良好であり、かつ、安価な金属材料により、セパレータ材料を代替したいという要望があった。 Therefore, there has been a demand for replacing the separator material with a metal material that has good processability and is cheaper than carbon.
そこで、近年では、例えば、耐食性が良好なステンレス鋼を基材層に用い、この基材層の表面に、金などの導電層を積層した金属セパレータが提案されている。また、ステンレス鋼以外にも、チタンなどを基材層に用いようとする動きも見られる。 Therefore, in recent years, for example, a metal separator has been proposed in which stainless steel having good corrosion resistance is used as a base material layer, and a conductive layer such as gold is laminated on the surface of the base material layer. In addition to stainless steel, there is a movement to use titanium or the like for the base material layer.
このような背景の下、例えば、特許文献1には、ステンレス鋼またはチタンなどよりなる基材層と、この基材層を覆う保護層とを備え、保護層の表面はTiNで占められており、その内部にいくにつれてN含量を減少させるようにした金属セパレータが開示されている。
Under such a background, for example,
また、この金属セパレータの製造方法として、ステンレス鋼よりなる基材層の表面にチタン層を形成し、N2:H3:CO2=1:1:0.07の組成を有する窒素混合ガスによる窒素雰囲気中にて、チタン層を窒化することにより、上記構成の保護層を形成する方法が開示されている。 Moreover, as a manufacturing method of this metal separator, a titanium layer is formed on the surface of a base material layer made of stainless steel, and a nitrogen mixed gas having a composition of N 2 : H 3 : CO 2 = 1: 1: 0.07 is used. A method for forming a protective layer having the above structure by nitriding a titanium layer in a nitrogen atmosphere is disclosed.
しかしながら、特許文献1に記載の金属セパレータおよびその製造方法は、次の点で未だ改良の余地があった。
However, the metal separator and its manufacturing method described in
すなわち、本発明者らによるこれまでの研究によれば、特許文献1に記載の金属セパレータは、電極と接触する保護層表面がTiNであるので、接触抵抗が比較的高いといった問題があった。また、この問題は、上記保護層が腐食環境下に曝された場合に顕著となることが分かっている。
That is, according to previous studies by the present inventors, the metal separator described in
一方、特許文献1では、上記金属セパレータを製造するのに、アンモニアガスを用いていると推測される。これは、第1に、チタンの窒化によりTiNを生成させる上で、アンモニアガスを使用するのは常套手段であること、第2に、使用する窒素混合ガスの組成にH3成分が含まれていることなどの理由による。
On the other hand, in
ところで、アンモニアガスは毒性があることが知られている。そのため、環境上の問題などから、アンモニアガスの使用には制限が多い。したがって、金属セパレータを製造するにあたり、アンモニアガスをできる限り使用しないことが望ましいといえる。 By the way, ammonia gas is known to be toxic. Therefore, there are many restrictions on the use of ammonia gas due to environmental problems. Therefore, it can be said that it is desirable not to use ammonia gas as much as possible in manufacturing the metal separator.
そこで、本発明が解決しようとする課題は、従来よりも接触抵抗が低い燃料電池用金属セパレータを提供することにある。また、他の課題は、この燃料電池用金属セパレータをアンモニアガスを用いずに得ることが可能な製造方法を提供することにある。 Therefore, the problem to be solved by the present invention is to provide a metal separator for a fuel cell having a contact resistance lower than that of the prior art. Another object is to provide a production method capable of obtaining the fuel cell metal separator without using ammonia gas.
上記課題を解決するため、本発明に係る燃料電池用セパレータは、電解質電極接合体側の最表面にTi2Nが存在することを要旨とする。 In order to solve the above problems, the fuel cell separator according to the present invention is characterized in that Ti 2 N exists on the outermost surface on the electrolyte electrode assembly side.
この際、上記燃料電池用セパレータは、金属材料よりなる基材層と、上記基材層の電解質電極接合体側に積層された表層とを備え、上記表層の最表面にTi2Nが存在するようにすると良い。 In this case, the fuel cell separator includes a base material layer made of a metal material and a surface layer laminated on the electrolyte electrode assembly side of the base material layer, and Ti 2 N is present on the outermost surface of the surface layer. It is good to make it.
また、上記Ti2Nの面積率は、50%以上であると良い。 The area ratio of Ti 2 N is preferably 50% or more.
一方、本発明に係る燃料電池用金属セパレータの製造方法は、導入ガスに窒素を用いた窒素雰囲気中にて、金属材料よりなる基材層表面に存在するTiを窒化する工程を有していることを要旨とする。 On the other hand, the method for producing a fuel cell metal separator according to the present invention includes a step of nitriding Ti present on the surface of a base material layer made of a metal material in a nitrogen atmosphere using nitrogen as an introduction gas. This is the gist.
この際、上記窒化温度は、700℃〜1050℃の範囲内にあると良い。 At this time, the nitriding temperature is preferably in the range of 700 ° C. to 1050 ° C.
本発明に係る燃料電池用金属セパレータは、電解質電極接合体側の最表面にTi2Nが存在している。そのため、従来に比較して、電解質電極接合体の電極とセパレータ最表面との接触抵抗が小さくなる。また、腐食環境下に曝された場合であっても、接触抵抗の変動を抑制することができる。 In the metal separator for a fuel cell according to the present invention, Ti 2 N is present on the outermost surface on the electrolyte electrode assembly side. Therefore, the contact resistance between the electrode of the electrolyte electrode assembly and the outermost surface of the separator is smaller than in the past. Moreover, even when exposed to a corrosive environment, fluctuations in contact resistance can be suppressed.
このような効果が得られるのは、TiNよりも導電性に優れ、TiNと同等もしくはそれ以上の耐食性を有すると思われるTi2Nを、セパレータ最表面に積極的に存在させ、電解質電極接合体の電極と直接接触させるようにしたためである。 Such an effect is obtained because Ti 2 N, which is superior in conductivity to TiN and has a corrosion resistance equivalent to or higher than that of TiN, is actively present on the outermost surface of the separator, and the electrolyte electrode assembly This is because they are in direct contact with the electrodes.
また、上記燃料電池用金属セパレータは、金などを使用した従来の燃料電池用金属セパレータに比較して、コスト的にも有利である。 In addition, the fuel cell metal separator is advantageous in terms of cost compared to a conventional fuel cell metal separator using gold or the like.
この際、上記Ti2Nの面積率が50%以上である場合には、上記効果が得やすくなる利点がある。 At this time, when the area ratio of Ti 2 N is 50% or more, there is an advantage that the above effect can be easily obtained.
一方、本発明に係る燃料電池用金属セパレータの製造方法は、導入ガスに窒素を用いた窒素雰囲気中にて、金属材料よりなる基材層表面に存在するTiを窒化する工程を有している。 On the other hand, the method for producing a fuel cell metal separator according to the present invention includes a step of nitriding Ti present on the surface of a base material layer made of a metal material in a nitrogen atmosphere using nitrogen as an introduction gas. .
そのため、金属材料よりなる基材層表面には、最表面にTi2Nが存在する表層が形成される。したがって、上記製造方法によれば、導入ガスにアンモニアガスを使用することなく、従来よりも電極との接触抵抗が低い燃料電池用金属セパレータが得られる。 Therefore, a surface layer in which Ti 2 N is present on the outermost surface is formed on the surface of the base material layer made of a metal material. Therefore, according to the manufacturing method described above, a metal separator for a fuel cell having a lower contact resistance with the electrode than before can be obtained without using ammonia gas as the introduction gas.
この際、上記Tiの窒化温度が700℃〜1050℃の範囲内にある場合には、表層の最表面にTi2Nを優勢に存在させやすい利点がある。 At this time, when the nitriding temperature of Ti is in the range of 700 ° C. to 1050 ° C., there is an advantage that Ti 2 N is likely to be dominant on the outermost surface of the surface layer.
以下、本実施形態に係る燃料電池用金属セパレータおよびその製造方法について詳細に説明する。なお、以下では、本実施形態に係る燃料電池用金属セパレータを「本セパレータ」と、本実施形態に係る燃料電池用金属セパレータの製造方法を「本製造方法」ということがある。 Hereinafter, the metal separator for a fuel cell according to the present embodiment and the manufacturing method thereof will be described in detail. Hereinafter, the metal separator for a fuel cell according to the present embodiment may be referred to as “the present separator”, and the method for producing the metal separator for a fuel cell according to the present embodiment may be referred to as “the present production method”.
1.本セパレータ
本セパレータは、金属製であり、電解質電極接合体側の最表面には、導電性のTi2Nが存在している。つまり、本セパレータは、電解質電極接合体側の最表面にTi2Nを積極的に出すようにしたことを特徴の一つとしている。
1. This separator is made of metal, and conductive Ti 2 N is present on the outermost surface on the electrolyte electrode assembly side. That is, this separator is characterized in that Ti 2 N is positively extracted from the outermost surface on the electrolyte electrode assembly side.
このような構成を採用するのは、主に次の理由による。一般に、燃料電池は、電解質の両面に電極を接合した電解質電極接合体の両面を、一対のセパレータで挟持し、これを複数積層した構造を備えている。 The reason for adopting such a configuration is mainly as follows. In general, a fuel cell has a structure in which both surfaces of an electrolyte electrode assembly in which electrodes are bonded to both surfaces of an electrolyte are sandwiched by a pair of separators, and a plurality of these are stacked.
このような積層構造中において、通常、セパレータは、その一方面が電解質電極接合体の電極面と接触した状態で使用される。そのため、本セパレータでは、少なくとも電解質電極接合体に直接接触する最表面に、Ti2Nを存在させることにより、耐食性を有しつつ、接触抵抗の減少を図るようにしたのである。 In such a laminated structure, the separator is usually used in a state where one surface thereof is in contact with the electrode surface of the electrolyte electrode assembly. For this reason, in this separator, Ti 2 N is present at least on the outermost surface that is in direct contact with the electrolyte electrode assembly, so that the contact resistance is reduced while having corrosion resistance.
ここで、上記Ti2Nは、本セパレータの最表面の大部分を占めていることが好ましい。 Here, the Ti 2 N preferably occupies most of the outermost surface of the separator.
もっとも、本セパレータの最表面の全てを完全にTi2Nとすることは製造上難しい場合が多い。そのため、本発明の目的を損なわない範囲内であれば、本セパレータの最表面には、TiN、TiN0.3など、Ti2N以外のチタンの窒化物や、Ti、不可避な夾雑物などが存在していても構わない。つまり、上記Ti2Nは、本セパレータの最表面に優勢に存在しておれば良い。 However, it is often difficult in manufacturing to make all of the outermost surface of the separator completely Ti 2 N. Therefore, as long as the object of the present invention is not impaired, the outermost surface of the separator includes titanium nitride other than Ti 2 N, such as TiN and TiN 0.3 , Ti, inevitable impurities, and the like. It does not matter if it exists. That is, the Ti 2 N only needs to exist predominantly on the outermost surface of the separator.
本セパレータにおいて、電解質電極接合体の電極に接する面、例えば、PEFCの場合、具体的には、ガス拡散層に接する面に占めるTi2Nの面積率は、好ましくは50%以上、より好ましくは、60%以上、さらに好ましくは、70%以上あると良い。Ti2Nの面積率が上記範囲内にあれば、本発明の効果を確実なものとしやすいからである。 In this separator, in the case of PEFC, for example, in the case of PEFC, specifically, the area ratio of Ti 2 N in the surface in contact with the gas diffusion layer is preferably 50% or more, more preferably 60% or more, more preferably 70% or more. This is because if the area ratio of Ti 2 N is within the above range, the effect of the present invention can be easily ensured.
本セパレータにおいて、上記Ti2Nは、上記したとおり、電極面と直接接触する最表面に存在しておれば良いが、最表面のみならず、最表面から内部に向かって一定距離に亘って存在していても良い。 In the present separator, as described above, the Ti 2 N may be present on the outermost surface that is in direct contact with the electrode surface, but is present not only on the outermost surface but also on a certain distance from the outermost surface to the inside. You may do it.
この場合、最表面よりも内部におけるTi2Nの存在状態については、特に限定されることはない。これは、主に本セパレータの趣旨などに基づくものである。 In this case, the presence state of Ti 2 N inside the outermost surface is not particularly limited. This is mainly based on the purpose of this separator.
具体的には、例えば、最表面から内部に向かって存在割合が減少するように分布していても良いし、あるいは、最表面から内部に一定距離に亘り、ほぼ同じ存在割合で分布していても良い。 Specifically, for example, it may be distributed so that the existence ratio decreases from the outermost surface to the inside, or it is distributed at substantially the same existence ratio over a certain distance from the outermost surface to the inside. Also good.
なお、Ti2Nが最表面に存在していることは、本セパレータの最表面をX線回折などにより分析すれば確認することができる。 The presence of Ti 2 N on the outermost surface can be confirmed by analyzing the outermost surface of the separator by X-ray diffraction or the like.
本セパレータは、基本的に金属を主に構成されている。ここでいう金属は、単体金属のみならず、合金をも含む。用いる金属は、耐食性などを考慮して適宜選択することができる。 This separator is basically composed mainly of metal. The metal here includes not only a single metal but also an alloy. The metal to be used can be appropriately selected in consideration of corrosion resistance and the like.
本セパレータを主に構成する金属としては、具体的には、例えば、ステンレス鋼、チタン、チタン合金などの耐食金属、さらに詳しくは、セパレータ内の環境で不働態化し、耐食性を発現する金属を例示することができる。これらは1種または2種以上用いられていても良い。 Specific examples of the metal that mainly constitutes the separator include, for example, corrosion resistant metals such as stainless steel, titanium, and titanium alloys, and more specifically, metals that passivate in the environment in the separator and exhibit corrosion resistance. can do. These may be used alone or in combination of two or more.
上記本セパレータの具体的な構成としては、例えば、上記金属材料よりなる基材層と、この基材層の電解質電極接合体側に積層された表層とを備えた構成などを例示することができる。 As a specific configuration of the separator, for example, a configuration including a base layer made of the metal material and a surface layer laminated on the electrolyte electrode assembly side of the base layer can be exemplified.
この場合、表層の最表面にTi2Nが少なくとも存在していることになる。また、この表層は、最表面から基材層に向かってTi2Nの存在割合が少なくなるように組成が傾斜していても良いし、あるいは、最表面から基材層表面まで、ほぼ同じ存在割合でTi2Nが分布していても良い。 In this case, at least Ti 2 N is present on the outermost surface of the surface layer. Further, the surface layer may be inclined so that the proportion of Ti 2 N existing from the outermost surface toward the base material layer is reduced, or substantially the same from the outermost surface to the base material layer surface. Ti 2 N may be distributed in proportion.
この際、表層の厚みは、本発明の目的を達成することができれば、特に限定されるものではない。具体的には、例えば、好ましい上限値として、100μm、50μm、10μmなどを例示することができる。一方、これら好ましい上限値と組み合わせ可能な好ましい下限値として、0.1μm、1μm、5μmなどを例示することができる。 At this time, the thickness of the surface layer is not particularly limited as long as the object of the present invention can be achieved. Specifically, for example, examples of preferable upper limit values include 100 μm, 50 μm, and 10 μm. On the other hand, examples of preferable lower limit values that can be combined with these preferable upper limit values include 0.1 μm, 1 μm, and 5 μm.
また、基材層の厚みは、ガス分離性、構造強度、耐食性、軽量化などを考慮して適宜選択することができる。 The thickness of the base material layer can be appropriately selected in consideration of gas separation properties, structural strength, corrosion resistance, weight reduction, and the like.
具体的には、例えば、好ましい上限値として、0.8mm、0.5mm、0.3mmなどを例示することができる。一方、これら好ましい上限値と組み合わせ可能な好ましい下限値として、0.05mm、0.1mm、0.2mmなどを例示することができる。 Specifically, for example, 0.8 mm, 0.5 mm, 0.3 mm and the like can be exemplified as preferable upper limit values. On the other hand, examples of preferable lower limit values that can be combined with these preferable upper limit values include 0.05 mm, 0.1 mm, and 0.2 mm.
なお、本セパレータには、燃料ガス、酸化剤ガスを供給するためのガス流路などが形成されている。このようなガス流路は、例えば、プレス成形などの塑性加工により形成することができる。具体的なガス流路の形態については、例えば、既に知られる形態などを適宜採用すれば良く、詳細な説明は省略する。 The separator is formed with a gas flow path for supplying fuel gas and oxidant gas. Such a gas flow path can be formed by, for example, plastic working such as press molding. As specific gas flow channel configurations, for example, known configurations may be employed as appropriate, and detailed description thereof is omitted.
本セパレータは、金属部材を使用できる温度で作動する燃料電池に適用することができる。燃料電池の種類としては、例えば、固体高分子形燃料電池(PEFC、ダイレクトメタノール形燃料電池(DMFC)含む)、固体酸化物形燃料電池(SOFC)、リン酸塩ガラスなどプロトン導電性ガラスを電解質に用いた燃料電池などを例示することができる。 The separator can be applied to a fuel cell that operates at a temperature at which a metal member can be used. Examples of fuel cells include polymer electrolyte fuel cells (including PEFC and direct methanol fuel cells (DMFC)), solid oxide fuel cells (SOFC), and proton conductive glass such as phosphate glass as an electrolyte. The fuel cell etc. which were used for can be illustrated.
本セパレータは、腐食環境下に曝された場合であっても、接触抵抗を比較的低く維持することができる。そのため、例えば、強酸性基を電解質基に用いており、強酸性環境下になりやすいPEFCなどに好適に用いることができる。 The separator can maintain a relatively low contact resistance even when exposed to a corrosive environment. Therefore, for example, a strongly acidic group is used as an electrolyte group, and can be suitably used for PEFC and the like that are likely to be in a strongly acidic environment.
2.本製造方法
本製造方法は、基本的には、窒素雰囲気中にて、基材層表面に存在するTiを窒化する工程を有している(以下、「本工程」ということがある。)。
2. This Manufacturing Method This manufacturing method basically includes a step of nitriding Ti existing on the surface of the base material layer in a nitrogen atmosphere (hereinafter, also referred to as “this step”).
本工程では、上記窒素雰囲気を作り出すのに、導入ガスとして窒素を用いる。導入ガスとしてアンモニアを用いた場合でも、アンモニアの分解により生成したN2により窒素雰囲気を作り出すことができるが、本工程における窒素雰囲気はこのように作り出される雰囲気と区別される。 In this step, nitrogen is used as an introduction gas to create the nitrogen atmosphere. Even when ammonia is used as the introduced gas, a nitrogen atmosphere can be created by N 2 generated by the decomposition of ammonia, but the nitrogen atmosphere in this step is distinguished from the atmosphere created in this way.
すなわち、本工程では、実質的にN2で満たされた導入ガスを用いており、この導入ガス中にアンモニアガスは含まれていない。なお、「実質的に」とは、100%純粋な窒素ガスを用いることは難しいことから、不可避な不純物などが含まれていても良いという意味である。また、Ti2Nの形成に悪影響を与えない範囲内であれば、アンモニアガス以外の他のガスが含まれていても良い。 That is, in this step, an introduction gas substantially filled with N 2 is used, and ammonia gas is not included in the introduction gas. Note that “substantially” means that it is difficult to use 100% pure nitrogen gas, and therefore it may contain inevitable impurities. Further, other gas than ammonia gas may be included as long as it does not adversely affect the formation of Ti 2 N.
本工程では、このような窒素雰囲気を用いているので、基材層表面に存在するTiが窒化されるとTi2Nが形成される。 In this step, since such a nitrogen atmosphere is used, Ti 2 N is formed when Ti present on the surface of the base material layer is nitrided.
ここで、本工程において、基材層を構成する金属材料がTiまたはTi合金からなる場合、基材表面にはTi成分が存在している。そのため、この場合には、このTi成分を、基材層表面に存在するTiとして用いることができる。 Here, in this step, when the metal material constituting the base material layer is made of Ti or a Ti alloy, a Ti component is present on the surface of the base material. Therefore, in this case, this Ti component can be used as Ti existing on the surface of the base material layer.
一方、基材層が、TiまたはTi合金以外の金属材料、例えば、ステンレス鋼などからなる場合には、何らかの手法を用いて、基材層表面にTiを存在させる必要がある。 On the other hand, when the base material layer is made of a metal material other than Ti or Ti alloy, for example, stainless steel, Ti needs to be present on the surface of the base material layer by some method.
TiまたはTi合金以外の金属材料よりなる基材層表面にTiまたはTi合金を存在させる手法としては、具体的には、例えば、クラッド、電気めっき、溶射、物理的気相成長法(PVD:真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法など)、化学的気相成長法(CVD:熱CVD、プラズマCVDなど)などを例示することができる。これら手法は、1種または2種以上併用しても良い。好ましくは、真空引きなどをする必要がないクラッド、電気めっきなどがコスト面で有利である。 Specifically, as a technique for causing Ti or Ti alloy to be present on the surface of the base material layer made of a metal material other than Ti or Ti alloy, for example, cladding, electroplating, thermal spraying, physical vapor deposition (PVD: vacuum) Examples thereof include a vapor deposition method, a sputtering method, an ion plating method, and a chemical vapor deposition method (CVD: thermal CVD, plasma CVD, etc.). These methods may be used alone or in combination of two or more. Preferably, cladding, electroplating, or the like that does not require evacuation is advantageous in terms of cost.
もっとも、基材層がTiまたはTi合金からなる場合には、基材表面にTiまたはTi合金を存在させる工程自体を省略できるので、コスト面で一層有利であると言える。 However, when the base material layer is made of Ti or a Ti alloy, it can be said that it is more advantageous in terms of cost because the step itself of allowing Ti or Ti alloy to exist on the surface of the base material can be omitted.
また、Tiの窒化を行う前に、必要に応じて、上記基材層表面にできた酸化被膜などを除去しておいても良い。上記除去方法としては、具体的には、例えば、プラズマエッチング、化学エッチング、機械研磨などを例示することができる。 In addition, before nitriding Ti, an oxide film formed on the surface of the base material layer may be removed as necessary. Specific examples of the removal method include plasma etching, chemical etching, and mechanical polishing.
また、本工程において、Tiの窒化温度は、基材層表面のTiが窒化されてTi2Nが合成される最適な温度を適宜選択すれば良い。 Further, in this step, the nitriding temperature of Ti may be appropriately selected as the optimum temperature at which Ti on the surface of the base material layer is nitrided and Ti 2 N is synthesized.
上記窒化温度としては、その好ましい上限値として、具体的には、例えば、1050℃、880℃、800℃などを例示することができる。一方、これら好ましい上限値と組み合わせ可能な好ましい下限値として、具体的には、例えば、700℃、750℃などを例示することができる。 Specific examples of the preferable upper limit of the nitriding temperature include 1050 ° C., 880 ° C., and 800 ° C. On the other hand, specific examples of preferable lower limit values that can be combined with these preferable upper limit values include 700 ° C. and 750 ° C., for example.
また、窒化時間は、窒化温度などとの兼ね合いで適宜最適な時間を選択すれば良い。例えば、生産性の向上などを重視する場合には、窒化反応が生じやすい高温で、比較的短時間で表層を作るなどの選択も可能である。 The nitriding time may be appropriately selected in consideration of the nitriding temperature and the like. For example, when emphasis is placed on improving productivity, the surface layer can be selected in a relatively short time at a high temperature at which nitriding reaction is likely to occur.
また、上記した通り、通常、セパレータにはガス流路などが形成される。このガス流路を形成する工程は、本工程の前に行っても良いし、本工程の後に行っても良い。 Further, as described above, a gas flow path or the like is usually formed in the separator. The step of forming the gas flow path may be performed before this step or after this step.
具体的な例を用いて説明すると、Tiは、約880℃の温度で、α型からβ型に相転移する。そのため、寸法精度などを重視する場合、窒化温度が880℃以下のときには、Tiの相転移が起こらないので、ガス流路を形成する工程と本工程とは、何れの順で行っても良い。 To explain using a specific example, Ti undergoes a phase transition from α-type to β-type at a temperature of about 880 ° C. Therefore, when importance is attached to dimensional accuracy and the like, since the phase transition of Ti does not occur when the nitriding temperature is 880 ° C. or lower, the step of forming the gas flow path and this step may be performed in any order.
これに対し、窒化温度が880℃以上のときには、ガス流路を形成した後に、本工程を行うと、相転移温度を超える熱処理を行うことになる。そのため、得られるセパレータの寸法精度が低下することもあり得る。 On the other hand, when the nitriding temperature is 880 ° C. or higher, the heat treatment exceeding the phase transition temperature is performed when this step is performed after the gas flow path is formed. Therefore, the dimensional accuracy of the obtained separator may be reduced.
そのため、このときには、ガス流路を形成した後に、本工程を行うようにすれば、寸法精度の高いセパレータを得ることができる。 Therefore, at this time, a separator with high dimensional accuracy can be obtained by performing this step after forming the gas flow path.
上記説明した本工程は、例えば、PVDを行うことが可能な装置内、CVDを行うことが可能な装置内、連続加熱炉内などで行うことができる。 This process described above can be performed, for example, in an apparatus capable of performing PVD, an apparatus capable of performing CVD, or a continuous heating furnace.
このうち、本工程は連続加熱炉内で好適に行うと良い。比較的簡便な装置であり、コスト的にも有利だからである。 Among these, this process is preferably performed in a continuous heating furnace. This is because it is a relatively simple device and advantageous in terms of cost.
以下、本発明を実施例を用いてより具体的に説明する。
(実施例1)
初めに、厚み0.3mmの純Ti板をプレス成形し、ガス流路を形成した。次いで、導入ガスに窒素を用いた窒素雰囲気中に、このプレス成形体をさらし、電解質電極接合体側となる表面のTiをガス窒化した。
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples.
Example 1
First, a pure Ti plate having a thickness of 0.3 mm was press-formed to form a gas flow path. Next, this press-molded body was exposed in a nitrogen atmosphere using nitrogen as the introduced gas, and Ti on the surface on the electrolyte electrode assembly side was gas-nitrided.
この際、窒素供給量は0.5L/minとし、純Ti板の加熱温度は800℃、加熱時間は2時間とした。 At this time, the supply amount of nitrogen was 0.5 L / min, the heating temperature of the pure Ti plate was 800 ° C., and the heating time was 2 hours.
これにより実施例1に係るTi製セパレータを作製した。 Thus, a Ti separator according to Example 1 was produced.
(実施例2)
導入ガスに窒素を用いた窒素雰囲気中に、厚み0.5mmの純Ti板をさらし、電解質電極接合体側となる表面のTiをガス窒化した。
(Example 2)
A pure Ti plate having a thickness of 0.5 mm was exposed in a nitrogen atmosphere using nitrogen as the introduced gas, and Ti on the surface on the electrolyte electrode assembly side was gas-nitrided.
この際、窒素供給量は0.5L/minとし、純Ti板の加熱温度は1000℃、加熱時間は0.5時間とした。その後、得られた板材をプレス成形し、ガス流路を形成した。 At this time, the supply amount of nitrogen was 0.5 L / min, the heating temperature of the pure Ti plate was 1000 ° C., and the heating time was 0.5 hours. Thereafter, the obtained plate material was press-molded to form a gas flow path.
これにより実施例2に係るTi製セパレータを作製した。 Thus, a Ti separator according to Example 2 was produced.
(比較例1)
その表面がTiN(AIP法:アークイオンプレーティング法)により被覆された、厚み0.5mmの市販の純Ti板を準備した。次いで、これをプレス成形し、ガス流路を形成した。これにより比較例1に係るTi製セパレータを作製した。
(Comparative Example 1)
A commercially available pure Ti plate having a thickness of 0.5 mm, the surface of which was coated with TiN (AIP method: arc ion plating method) was prepared. Subsequently, this was press-molded to form a gas flow path. Thus, a Ti separator according to Comparative Example 1 was produced.
(比較例2)
その表面がTiN(HCD法:フォローカソードデポジッション法)により被覆された、厚み0.5mmの市販の純Ti板を準備した。次いで、これをプレス成形し、ガス流路を形成した。これにより比較例2に係るTi製セパレータを作製した。
(Comparative Example 2)
A commercially available pure Ti plate having a thickness of 0.5 mm, the surface of which was coated with TiN (HCD method: follow cathode deposition method) was prepared. Subsequently, this was press-molded to form a gas flow path. Thus, a Ti separator according to Comparative Example 2 was produced.
次に、上記実施例および比較例において、表面にチタンの窒化物が形成されている各試料(外形φ34mm)を準備した。そして、これら試料を用いて、X線回折パターン測定、電解腐食試験、電解腐食試験前後の接触抵抗値の測定を行った。 Next, in the above Examples and Comparative Examples, each sample (outer diameter: 34 mm) having titanium nitride formed on the surface was prepared. And using these samples, the X-ray diffraction pattern measurement, the electrolytic corrosion test, and the contact resistance value before and after the electrolytic corrosion test were measured.
(X線回折パターン測定)
実施例1、2および比較例1、2に係る各試料の表面に、X線を当ててX線回折パターンの測定を行った。得られたX線回折パターンを図1に示す。
(X-ray diffraction pattern measurement)
X-ray diffraction patterns were measured by applying X-rays to the surfaces of the samples according to Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2. The obtained X-ray diffraction pattern is shown in FIG.
図1によれば、比較例1および比較例2に係る各試料の最表面は、TiNにより被覆されていることが分かる。 According to FIG. 1, it can be seen that the outermost surfaces of the samples according to Comparative Example 1 and Comparative Example 2 are covered with TiN.
これらに対し、実施例1および実施例2に係る各試料の最表面には、Ti2Nが存在していることが分かる。もっとも、各試料の最表面にはTi2N以外にもTiNなどが存在している。しかしながら、これらのピーク強度よりも、Ti2Nのピーク強度のほうが強いことが分かる。 On the other hand, it can be seen that Ti 2 N is present on the outermost surface of each sample according to Example 1 and Example 2. However, TiN and the like are present in addition to Ti 2 N on the outermost surface of each sample. However, it can be seen that the peak intensity of Ti 2 N is stronger than these peak intensity.
そのため、この試験結果によれば、実施例1および実施例2の各試料の最表面の主成分はTi2Nであり、Ti2Nが優勢に存在していることが分かる。 Therefore, according to this test result, it can be seen that the main component of the outermost surface of each sample of Example 1 and Example 2 is Ti 2 N, and Ti 2 N exists predominantly.
(電解腐食試験)
次に、実施例1および比較例1、2に係る各試料について、電解腐食試験を行った。この際、電解液には、希硫酸にCl−を10ppm、F−を5ppm添加し、phを4に調製したものを用いた。
(Electrolytic corrosion test)
Next, an electrolytic corrosion test was performed on each sample according to Example 1 and Comparative Examples 1 and 2. At this time, the electrolytic solution, Cl dilute sulfuric acid - the 10 ppm, F - was 5ppm added, it was used to prepare the ph to 4.
また、内寸直径34mm、高さ30mmの電解セルを用い、測定温度は80℃、電圧(vs.Pt)は0.26V、試験時間は1日とした。 An electrolytic cell having an inner diameter of 34 mm and a height of 30 mm was used, the measurement temperature was 80 ° C., the voltage (vs. Pt) was 0.26 V, and the test time was 1 day.
図2〜図4に、実施例1および比較例1、2に係る試料の電解腐食試験結果を示す。図2〜図4によれば、何れも初期に腐食電流が急激に落ち、ある程度のところで一定になっていることが分かる。 2 to 4 show the electrolytic corrosion test results of the samples according to Example 1 and Comparative Examples 1 and 2. FIG. 2 to 4, it can be seen that the corrosion current suddenly drops in the initial stage and is constant at a certain level.
この試験結果によれば、実施例1および比較例1、2は、耐食性を有していることが確認できた。 According to this test result, it was confirmed that Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 have corrosion resistance.
次に、実施例1および比較例1、2に係る各試料について、上記電解腐食試験前後におけるカーボンペーパとの接触抵抗値を以下の手順により測定した。 Next, for each sample according to Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, the contact resistance value with the carbon paper before and after the electrolytic corrosion test was measured by the following procedure.
図5は、接触抵抗値の測定方法を模式的に示した図である。すなわち、金めっき銅板10と金めっき銅板12との間に、各試料14とカーボンペーパ16(接触相手材として電解質電極接合体の電極を模擬したもの)とを挟み込んだ状態で、低電流DC電源18により1Aの定常電流を印加した。この際、各金めっき銅板10、12には、ロードセル(図示されない)により空気圧1.47MPaの荷重を負荷した。
FIG. 5 is a diagram schematically showing a method for measuring the contact resistance value. That is, a low-current DC power source with each
これにより、各試料14とカーボンペーパ16との接触部分(接触面積2cm×2cm)に1Aの電流が流れる。そこで、荷重負荷後60秒後における各試料14とカーボンペーパ16との間の電位差から電気抵抗値を測定し、これを接触抵抗値とした。
As a result, a current of 1 A flows through the contact portion (
図6に、実施例1および比較例1、2の電解腐食試験前後におけるカーボンペーパとの接触抵抗値を示す。 In FIG. 6, the contact resistance value with the carbon paper before and after the electrolytic corrosion test of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 is shown.
図6によれば、実施例1は、比較例1、2に比較して、電解腐食試験前の接触抵抗値が低いことが分かる。さらに、実施例1は、比較例1、2に比較して、電解腐食試験後の接触抵抗値が低く、試験前後における接触抵抗値の変動も少ないことが分かる。 According to FIG. 6, it can be seen that Example 1 has a lower contact resistance value before the electrolytic corrosion test than Comparative Examples 1 and 2. Further, it can be seen that Example 1 has a lower contact resistance value after the electrolytic corrosion test and less fluctuation in the contact resistance value before and after the test than Comparative Examples 1 and 2.
以上の各試験結果より、実施例に係るセパレータは、耐食性に優れるとともに接触抵抗も小さく、腐食が生じても接触抵抗の変動を抑制できることが確認できた。また、このような作用効果を奏する実施例に係るセパレータを得るのに、アンモニアガスを用いる必要がないことも確認できた。 From the above test results, it was confirmed that the separators according to the examples were excellent in corrosion resistance, had low contact resistance, and could suppress fluctuations in contact resistance even when corrosion occurred. Moreover, it has also been confirmed that it is not necessary to use ammonia gas to obtain the separator according to the example that exhibits such effects.
以上、本発明に係る燃料電池用金属セパレータおよびその製造方法について説明したが、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。 The fuel cell metal separator and the manufacturing method thereof according to the present invention have been described above. However, the present invention can be variously modified without departing from the spirit of the present invention.
Claims (5)
前記基材層の電解質電極接合体側に積層された表層とを備え、
前記表層の最表面にTi2Nが存在することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用金属セパレータ。 A base material layer made of a metal material;
A surface layer laminated on the electrolyte electrode assembly side of the base material layer,
The fuel cell metal separator according to claim 1, wherein Ti 2 N is present on the outermost surface of the surface layer.
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